智能化輸液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法

摘要：本文對(duì)輸液監(jiān)控智能系統(tǒng)進(jìn)行較全面的研究，主要分軟件、硬件兩部分內(nèi)容，并詳細(xì)說明了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。上位機(jī)使用了Visual C + +編程語(yǔ)言，主要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)可視化、人機(jī)對(duì)話界面，使操作更加方便。用戶可以通過屏幕監(jiān)視目標(biāo)滴速、實(shí)際的滴速、剩余量的液體及報(bào)警等信息。下位機(jī)設(shè)計(jì)了具有CAN總線轉(zhuǎn)換器、接口LCD數(shù)據(jù)顯示、滴速設(shè)置鍵盤、電機(jī)控制、液滴紅外探測(cè)、輸液報(bào)警等功能的終端監(jiān)控系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：輸液監(jiān)控；Visual C + +；CAN總線；電路設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： 02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在20世紀(jì)90年代初，人們就開始研究輸液監(jiān)控技術(shù)，并取得了多項(xiàng)專利發(fā)明和研究成果。在輸液控制系統(tǒng)領(lǐng)域，他們開發(fā)的系統(tǒng)主要特點(diǎn)是通過使用單片機(jī)作為控制核心，集中監(jiān)控輸液患者的輸液狀態(tài)，其主要功能有：鍵盤輸入預(yù)先設(shè)定的液量數(shù)字，系統(tǒng)可以分時(shí)顯示每個(gè)病人的輸液過程中狀態(tài)（滴速太慢，太快，滴完，無滴），如果出現(xiàn)異常，系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警，系統(tǒng)可以顯示在輸液過程中輸液時(shí)間、剩余的液量、滴速、藥液余量等信息。雖然在應(yīng)用方面起到了一定的作用，但這些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都存在共同的缺點(diǎn)：需要將尖型的金屬傳感器插入在滴管內(nèi)，由液滴導(dǎo)電的工作原理所產(chǎn)生的電脈沖，這種情況并不符合在醫(yī)用方面無菌操作的要求，并且系統(tǒng)只可以對(duì)8個(gè)輸液瓶同時(shí)檢測(cè)，并使用一個(gè)公共的電路，觀察起來并不方便；系統(tǒng)不具有遠(yuǎn)程控制功能，也并沒有實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化。

本文對(duì)輸液監(jiān)控智能系統(tǒng)進(jìn)行了較全面的探討，并從軟件，硬件兩方面詳細(xì)說明了系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸液的準(zhǔn)確性、自動(dòng)控制和無接觸式紅外線光電傳感器進(jìn)行測(cè)量，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)以下四種不同的液體（5％葡萄糖，0.9％氯化鈉，5％葡萄糖+藥物，10％葡萄糖）進(jìn)行觀察，由此證明了此液滴計(jì)數(shù)的方法來確定輸液是否正常，是完全可以實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)對(duì)以往設(shè)計(jì)資料不斷研究的前提下，通過對(duì)輸液過程中的需求分析，當(dāng)在輸液過程中出現(xiàn)各種情況時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)及時(shí)報(bào)警所要達(dá)到的控制滴速，以此來確定系統(tǒng)中的各個(gè)功能模塊的詳細(xì)需求。我們通過單片機(jī)相應(yīng)的控制技術(shù)、CAN無線傳輸技術(shù)，光電檢測(cè)技術(shù)，來確定目前的系統(tǒng)軟件，硬件組成。本文還設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)硬件系統(tǒng)開發(fā)的內(nèi)容，其中有微控制器的選型和系統(tǒng)下位機(jī)的鍵盤輸入模塊，滴液檢測(cè)模塊，液晶顯示模塊，聲光報(bào)警模塊、滴速控制模塊和CAN總線傳輸模塊等方面的設(shè)計(jì)，對(duì)于系統(tǒng)軟件系統(tǒng)也設(shè)計(jì)了下位機(jī)各模塊的應(yīng)用程序，以及完成上機(jī)位機(jī)中的輸液監(jiān)控管理軟件的相應(yīng)模塊的程序及功能。

1硬件和組件的接口設(shè)計(jì)

1.1硬件電路的設(shè)計(jì)

醫(yī)院輸液監(jiān)控系統(tǒng)主要采用主、從站分布式體系結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)控可以有多個(gè)病床輸液狀態(tài)。其中，從站負(fù)責(zé)為病人劑量和輸注速度的信息進(jìn)行設(shè)定，由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的液滴和微型步進(jìn)電機(jī)ULN2003A驅(qū)動(dòng)的紅外線傳感器，微型步進(jìn)電機(jī)反向驅(qū)動(dòng)的輸送機(jī)，以便控制軟管松動(dòng)或緊張來進(jìn)行滴速調(diào)節(jié)，當(dāng)異常情況或輸液結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出聲光報(bào)警，從站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸通過CAN總線傳送主站，主站設(shè)計(jì)輸液監(jiān)控和管理軟件，采用C語(yǔ)言編寫，通過調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，醫(yī)務(wù)人員知道每個(gè)病床輸液狀態(tài)一目了然，并通過CAN總線改變病人的輸液速度。輸液監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)完成特定的輸液過程監(jiān)控。它包括：MSP430F149單片機(jī)，鍵盤輸入模塊，滴速檢測(cè)模塊，聲光報(bào)警模塊，LCD顯示模塊，CAN總線傳輸設(shè)備和滴速控制模塊。單片機(jī)滴速控制CAN總線傳輸LCD顯示聲光報(bào)警滴速檢測(cè)鍵盤輸入PC機(jī)。

1.2 JTAG調(diào)試接口設(shè)計(jì)

在調(diào)試過程中，首先應(yīng)用的JTAG調(diào)試器將編寫的程序從PC上下載到FLASH運(yùn)行，通過JTAG接口進(jìn)行程序控制，然后讀取芯片和CPU狀態(tài)的內(nèi)存內(nèi)容的信息，為設(shè)計(jì)人員編譯調(diào)試軟件集成和調(diào)試環(huán)境，而不是一個(gè)專用的編程器。所以你只把單片機(jī)按調(diào)試接口的標(biāo)準(zhǔn)，與購(gòu)買的JTAG調(diào)試器對(duì)接，就可以在線調(diào)試程序。

1.3 JTAG調(diào)試端口引腳設(shè)計(jì)

采用2.54mm的間距，14針雙排針座的JTAG調(diào)試接口，只可用于在實(shí)際應(yīng)用中的五個(gè)引腳，其他引腳都沒有用，跳線PZ用于選擇JTAG調(diào)試器使用外部電源或內(nèi)部電源。當(dāng)外圍電路的電源是功率相對(duì)較小時(shí)，使用JTAG內(nèi)部電源即可。當(dāng)外圍電路的電源功率比較大時(shí)，你應(yīng)該使用一個(gè)外部電源。

1.4基于USB-CAN總線適配器電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)適配器，CAN總線的數(shù)據(jù)通過USB接口快速傳輸?shù)絇C進(jìn)行處理和分析，并通過它來CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)或命令，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備通訊。

1.5 USB通信模塊的設(shè)計(jì)

MSP430F149的P6端口連接到一個(gè)對(duì)應(yīng)的D12數(shù)據(jù)端口，通過端口連接MCU之間的4個(gè)IO 和D12四個(gè)控制74HC573隔離緩沖后如下：P2.0→WR_N，P2.1→RD_N，P2.2→A0，P2.3→CS_N。因?yàn)镸SP430 MCU系列單片機(jī)無需外部總線接口，所以需要4個(gè)以上P6端口來模擬數(shù)據(jù)/地址復(fù)用總線來讀寫程序，以實(shí)現(xiàn)D12的操作。此外，D12的INT_N端口，通過跳線與MSP430F149的P2.5端口相連，來完成D12要求MCU的請(qǐng)求中斷處理。

1.6印刷電路板的設(shè)計(jì)

原理圖設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是生產(chǎn)電子產(chǎn)品，電子產(chǎn)品在生產(chǎn)前要畫出電路原理圖，根據(jù)原理圖進(jìn)行繪制電路板設(shè)計(jì)，印刷電路板簡(jiǎn)稱PCB（Prinied Circult Board），按設(shè)計(jì)PCB電路板制成。

2硬件開發(fā)設(shè)計(jì)原則

2.1元件排列原則

（1）通常，所有的部件都設(shè)置在印刷電路板的同一表面上，并且僅在頂層元件太密時(shí)，才能把一些高度有限和較小發(fā)熱量的元件，如表面安裝IC，片狀電容器、片狀電阻等放在底部。

（2）有些高的元器件或?qū)w之間存在電位差，應(yīng)增加它們的距離，以避免意外的電線短路。

（3）確保的電氣性能的前提下，元件應(yīng)放置在刪格上，并彼此平行或垂直布置以求美觀，簡(jiǎn)潔和整齊，通常不讓元件重疊放置，元件結(jié)構(gòu)應(yīng)該是緊湊的，同時(shí)輸入和輸出組件盡可能地遠(yuǎn)離。

（4）在該板的整個(gè)表面上的元件應(yīng)均勻地分布，密度一致。

（5）位于板邊緣的元件遠(yuǎn)離PCB板的邊緣中的至少兩個(gè)板厚的距離。

2.2根據(jù)信號(hào)走向布局原則

（1）為了保持信號(hào)的流通，元件的放置應(yīng)該使該信號(hào)的方向盡可能一致。在正常情況下，布置的信號(hào)流的從頂部到底部或左到右，與輸入、輸出端直接相連接的元件應(yīng)當(dāng)放置在靠近連接器或者輸入、輸出接插件的地方。

（2）通常是由一個(gè)根據(jù)信號(hào)流的各自的功能安排電路單元的位置，以每個(gè)電路單元的核心元素為中心，在其周圍布局安排。

3系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)方法

主程序必須先完成初始化工作，主要包括設(shè)置看門狗管理模式，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，初始化LCD模塊的初始化中斷，初始化定時(shí)器，全局變量和其他參數(shù)的初始化。然后啟動(dòng)計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，開中斷允許單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，內(nèi)部定時(shí)器中斷請(qǐng)求。計(jì)算輸液滴速子程序，達(dá)到采樣時(shí)間，計(jì)算輸液滴速，并設(shè)置報(bào)警標(biāo)志。任何中斷，外部中斷和定時(shí)器中斷可以喚醒，打開相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。最后中斷處理是完整的循環(huán)執(zhí)行子程序計(jì)算輸液滴速和其他功能。根據(jù)滴速值計(jì)算和調(diào)整剩余時(shí)間的值，并在同一時(shí)間顯示新值。如果秒計(jì)數(shù)器減去上次采樣的時(shí)刻不等于采樣間隔時(shí)，返回到主程序，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的過程中的操作。

4軟件開發(fā)體現(xiàn)的原則

4.1體現(xiàn)了實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性

輸液監(jiān)測(cè)信息管理軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要體現(xiàn)功能齊全、操作簡(jiǎn)單、實(shí)用、方便的特點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的成本效益。

4.2體現(xiàn)了操作的簡(jiǎn)易性

堅(jiān)持“以人為本”的指導(dǎo)思想來開發(fā)軟件，努力實(shí)現(xiàn)良好的界面，操作方便，性能良好，客戶滿意度等軟件系統(tǒng)。

4.3體現(xiàn)了實(shí)時(shí)性

該軟件使用了多線程，使操作員選擇的監(jiān)視器，實(shí)現(xiàn)了從站和站數(shù)據(jù)同步，程序每六秒鐘更新一次滴速，而報(bào)警是即時(shí)提醒，如果有從站用戶報(bào)警，主站立即拉響了警報(bào)，給出一個(gè)醒目的報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)

我們?cè)谙到y(tǒng)的設(shè)計(jì)中使用的檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)輸液過程中要達(dá)到的目的，使用USB TO CAN適配卡，總線CAN信號(hào)采集和轉(zhuǎn)換到USB信號(hào)，信息會(huì)顯示在軟件界面通過用戶的操作，可以使主站通過的信號(hào)轉(zhuǎn)換適配器的交互數(shù)據(jù)。其主要特點(diǎn)是：當(dāng)一個(gè)異常發(fā)生在輸液過程中或輸液接近尾聲時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)報(bào)警，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)可以自動(dòng)輸液控制輸液速度，系統(tǒng)是可以設(shè)置的點(diǎn)滴速度，特點(diǎn)采用分布式設(shè)計(jì)原則，實(shí)現(xiàn)了基于CAN總線的遠(yuǎn)程監(jiān)控輸液，脈沖調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，使系統(tǒng)能夠提高抗干擾能力紅外線輸液管，多級(jí)齒輪減速，自動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制，定位精度該系統(tǒng)具有多個(gè)報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)是簡(jiǎn)單的，可視化顯示的結(jié)果，具有高可靠性和穩(wěn)定性的系統(tǒng)軟件。

輸液監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是將向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，而目前醫(yī)療技術(shù)的快速發(fā)展需要配套相應(yīng)的醫(yī)療服務(wù)和設(shè)施，而作為最為常用的輸液醫(yī)療手段，輸液監(jiān)控器材已經(jīng)被越來越廣泛的使用。就目前為止，醫(yī)院的輸液觀察室和普通病房還基本上沒有這種設(shè)備的出現(xiàn)，因此，如果出現(xiàn)一種低成本的可以接收的輸液監(jiān)控系統(tǒng)，它的前景應(yīng)用將不可估量。

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